基本信息
- 项目名称：
- 生态能源动力系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 生物再生能源的试验研究是发明设计一种双层分室结构的生物能源发生器，利用农业生态资源的废物，通过智能系统控制微生物群在厌氧状态、适宜温度等环境条件下的发酵作用，产生一种生物气体能源。经试验证明，应用生物能源系统产生的气体能源甲烷含量比传统方式提高12.3％，气体燃烧热值提高19.7MJ/m3，是一种再生的生物能源。
- 详细介绍：
- 生物再生能源系统是利用农业生态资源的多种废物按一定含量科学配制生态能源混合料，在分体式生物反应器内，通过智能系统控制微生物群在厌氧状态和一定环境下的快速发酵作用，产生一种生物气体能源。该混合气体主要成分是甲烷、其余为二氧化碳、氧气、氮气和硫化氢，其中甲烷含量达65%--82%。该气体混合燃烧时，热值达48.7MJ/m3，呈蓝色火焰，温度高达1400℃，将气体能源输送到研究设计的功率为1000W的发电机，每0.5立方米的生物能源可发电4.5千瓦时，每次相当于3.8公升汽油的能量，是一种再生的生物能源。 生物再生能源系统由生物能源发生系统、生物能源动力转化系统、智能控制系统等部分组成。 一）、生物能源发生系统 气体能源发生系统包括能源发生器、能源混合料、微生物发酵剂和智能控制器等部分。生物能源气体是在能源发生器内，先添加一定量的混合料，通过控制厌氧状态和使能源发生器内保持相对的环境条件，利用微生物种群的混合发酵技术产生的，具有产气速度快、产气量高、使用方便、再生环保、变废为宝等特点。 1、 生物能源发生器 为了便于按装与控制，能源发生器采用双层分室结构，改变了传统单体发酵罐反应难控制，保温效果差的弊端，能源发生器分为能源发酵室和气体能源储备室两部分。结构如图所示 1）能源发酵室 能源发酵室为一橡胶材料的囊状物，具有耐压性强，使用方便等特点，主要作用是混合料添加后，为微生物提供适宜的发酵场所，能源发酵室一端连接进料器和微生物发酵剂投放器，另一端连接自动控制的排料口。 2）气体能源储备室 气体能源储备室又分低压能源室和中压能源室，低压能源室与能源发酵室直接相通，能源发酵室内产生的气体能源可直接通到低压能源室中，当低压能源室内达到一定压力时，通过压力传感器启动压力泵将气体能源储存在中压能源室，因此，中压能源室可为发电机提供持续的气体能源，保障为动力系统的提供充足的能源。 2、能源混合料的配比试验 能源混合料的质量高低，直接关系到能源气体的产量。试验表明：微生物群对能源混合料要求必需有多种成分的营养，我们充分利用农业生态资源中的有机废物、畜禽排泄物、植物粉等为原料，再添加微量的高营养元素和微生物活化剂，按一定比例配制成能源混合料。通过多次的发酵试验，利用几种单一原料按一定比例的配合，配制的能源混合料，可大大提高能源气体的产量。 1）、发酵原料的类型及特性 根据发酵原料的化学性质和来源，分以下几类： A、富氮原料；富氮原料主要指畜禽排泄物，这类原料含有较多的低分子化合物，氮素的含量也较高，其碳：氮比一般都小于25：1，因此不需预处理，发酵周期短，分解和产气速度也比较快，可通过一定的生物预处理技术，将该类原料加工成一定形状，作为混合料的主要原料。 B、其他类型原料：有机废物，包括各种废渣废水，如酒糟、制豆腐的废水、生活污水和有机垃圾，各类秸秆、青草、杂草及水生植物等，其组织较软，易被微生物分解利用。如，玉米酒精蒸馏废水的COD浓度为40000mg/L。有些废水肉眼看来好像不“浓”，但可溶性组分多，产生的能源气体含量高。 2）、发酵混合料的配比试验 生物能源动力系统适用于微生物群发酵的原料有很多种，可根据当地条件因地选料。目前，实验效果比较突出的有以下种类：畜禽排泄物、食品加工、淀粉加工的废物（酒糟、制豆腐的废渣水）等。运用计算机技术将以上原料按不同比例配制各种方剂，再添加5%的营养元素和微生物活化剂，设对照组，经过对比试验应用，选择出生态能源产量高，产气速度快的方剂。加工成一定形态，使用方便、效果显著的能源混合料。试验效果分析，同一接种量，不同能源混合料配方发酵产气量不同。因此，要提高生态能源的产量，必须选用能源混合料。 3、微生物发酵剂 根据微生物的发酵功能，将参与能源气体产生的主要微生物分为三类。 第一类叫发酵细菌。包括各种有机物分解菌，它们能分泌胞外酶，主要作用是将复杂的有机物分解成较为简单的物质。例如多糖转化为单糖，蛋白质转化为肽或氨基酸，脂肪转化为甘油和脂肪酸。 第二类叫产氢产乙酸菌。主要作用是将前一类细菌分解的产物进一步分解成乙酸和二氧化碳。 第三类叫产甲烷菌。主要作用是利用乙酸、氢气和二氧化碳生产甲烷气。 在微生物发酵过程中，发酵菌、乙酸菌、甲烷菌三类微生物既相互协调，又相互制约，由多种微生物共同完成能源气体的生成过程。因此，在微生物发酵中，加入足够量的微生物作为接种物是极为重要的. 4、生物能源的发酵过程及产气原理 生物能源的产生主要是由多种微生物在厌氧状态下，通过分解有机物来完成的。在不同的发酵原料和不同条件下，微生物发酵产生的能源产量有所不同。根据试验效果分析，由于参与发酵的微生物种类繁多，这就决定了发酵过程的复杂性，其代谢产物除了能源气外也是多种多样的。根据三类微生物的不同作用，可以将能源发酵的生化过程分为四个阶段， 1）水解阶段: 将不溶解的有机化合物和聚合物通过生物酶法转化为可溶解的有机物。由棱菌属、拟杆菌属等细菌将碳水化合物和蛋白质等大分子有机质降解为小分子有机化合物，如葡萄糖、氨基酸等。 2）发酵阶段：将第一阶段的有机物发酵为有机酸。由梭菌属、拟杆菌属及其他细菌（如乳酸菌类、丙酸杆菌属）进一步将水解的产物降解为小分子的醇类、有机酸类、二氧化碳、氢气、氨气等。 3）产乙酸和产氢阶段：把发酵作用所产生的小分子醇类和一些脂肪酸降解为乙酸、甲酸、二氧化碳和氢。人们对这类细菌了解尚少，甚至连种、属都还没有明确。但已肯定这类细菌所产生的氢对其自身进一步生长繁殖有抑制作用。因此，产乙酸和氢的细菌，必须与能利用氢的细菌，如产甲烷细菌和伍氏乙酸杆菌等共同生存。 4）产甲烷阶段：由产甲烷细菌将前三阶段所产生的氢气、二氧化碳以及甲酸、乙酸甲醇和甲胺类等转化为甲烷。产甲烷细菌形态多样，但生理特性却大致相同，在缺氧条件下，均以甲烷为主要代谢产物。 5、环境条件对生物能源产生的影响 通过试验表明，在生物能源产生过程中，微生物发酵是一个生物化学的综合过程，若不具备相应的环境条件，将直接影响能源气体的产量。 1）、厌氧条件：在生物能源发酵过程中，参与的微生物主要是产酸菌和产甲烷菌两大类。产酸阶段的产酸菌大多数是厌氧菌，还有一部分为好氧菌和兼性厌氧菌，而产气阶段的产甲烷菌是专性厌氧菌，不需要氧，氧对产甲烷菌反而有毒害作用，因此，必须创造良好厌氧条件。 能源气体的产生，需要的发酵微生物构成了一个复杂的生态系。当微生物发酵启动或新料装入发生器时，带进了一部分氧，但由于在密封的发生器内，通过好氧菌和兼性厌氧菌的活动迅速消耗这部分氧，从而创造了良好的厌氧条件。 2）、温度对生态能源产量的影响 在生物能源产生过程中，同一方剂混合料接种同剂量的微生物，在不同的温度环境中，能源气体的产量也不同，包括原料的产气率和产气速度。 根据试验表明，发酵微生物最适生长温度可划分为中温群(30～40℃)和高温群(55～60℃)。低于4℃时，发酵微生物的代谢基本停止。 微生物发酵的适宜温度为10-65℃，30~50℃是高温厌氧菌活动区，产气速度最快。 在温度为10℃时，微生物尽管发酵了90小时，但其在产气率只有30℃发酵小时天时的59%。温度的突然变化会对产气发生很大影响，因此，生态能源发生器必须具有一定的保温效果，温度是整个系统的重要监控指标。 3）、压力对能源产量的影响 生物能源混合料的厌氧生物降解，是一个复杂的生物化学过程，在厌氧微生物反应器中，微生物对发酵原料进行有机降解，最终生成能源气体。在生物反应器中，存在着液相和气相两个室，由于液体静压力作用，甲烷气向上浮升，从液相界面进入到气相中，使生物反应器内的压力不断增高，生物反应器中气体能源的增压过程，实质上是发酵微生物旺盛繁殖及能源气的富集增压过程，微生物在厌氧发酵过程中，生物的代谢压力是通过液体静压力实现的。假定产甲烷菌的生长代谢正常进行，生物代谢产生的代谢压力将达到1MPa。实质上当压力提高，温度不变的情况下，液相中二氧化碳的溶解度也在相应加大，随着溶解在发酵液中的二氧化碳浓度增大，发酵菌受到抑制，如再提高压力，压力将不再升高，全部压力将加至到有机酸的累积中去，发酵液的酸度会逐渐变强。压力与温度同二氧化碳溶解度的厌氧发酵关系。 4）、PH值 在不同混合料，微生物群的最适生长的酸碱度有很大差异,但在微生物反应器中pH为7左右最适于产生能源气体。 5）、产气率的测试 单位质量原料的产气量称为原料产气率，根据不同情况可分为理论产气率、实验室产气率和实际产气率。理论产气率可用原料的化学成分计算，是不变的。实验室产气率可用具体实验来测，它有一定变化。生产产气率通常是根据大量实际情况来估计或进行实测。 二）、生物能源动力系统 利用能源发生系统产生的生物气体能源，通过压缩泵储存在中压能源室内，将中压室的气体能源输入到我们研究设计的生态能源发电机内，通过发电机将生物能源气体转变成电能，为生物能源动力车的运行提供源源不断的动力。通过对生物能源动力车的尾气检测，达到欧4排放标准。 另外，通过应用试验，以功率为1000W的生物能源发电机为例，每0.6立方米的能源气可发电4.5千瓦时，每天所发电量完全足够多个家庭照明、看电视、开电扇供应。 三）、智能控制系统 为了保障整个系统的正常运行，生物能源动力系统系统采用可编程控制器实行智能控制，该装置通过温度传感器、气体压力传感器、浓度传感器等多种感应系统进行检测，根据设定的数据进行相关处理，控制不同的系统运行，达到持续、高效产生气体能源的效果。 控制一：原料投入控制器。进料浓度关系到微生物的发酵浓度，对不同能源混合料来说，所需的最佳浓度是不同的。以玉米淀粉废物为原料的能源气体发生器，一般不超过31%，但对可溶性COD浓度则无限制。在原料投入时，为了控制尽量减少氧气的含量，采用螺旋封闭投料法，通过螺旋电机旋转投料。 控制二：微生物投入控制器。正常沼气发酵是由一定数量和种类的微生物来完成的。为了提高能源气体的高效持续生产，发酵一段时间后，可根据发酵效果的需要增添微生物发酵剂。 控制三：温度控制器。微生物发酵可在10~65℃范围内进行。温度的突然变化会对产气发生很大影响，温度是必需的监控指标。温度低于10℃，能源产生基本停止，需要温度控制器对能源反应器进行温度调节。 控制四：气体排放控制器。在微生物发酵过程中，压力对微生物发酵关系密切，可通过压力控制器对能源反应发生器和能源储备室的压力进行智能调节。 控制五：出料控制器。能源反应发生器的混合料经过一定时间后，能源产量开始降低，可根据微生物发酵的产气率和产气量进行自动控制更换混合料。 控制六：定时搅拌控制器。能源气体发生器的底部，装有一个定时搅拌控制器，微生物发酵过程中，每隔一定时间控制器会自动翻转，使原料和微生物增加接触机会，促进微生物新陈代谢，提高气体能源的产量。 控制七：能源气体分离控制器。通过对能源气体自动脱硫、气水分离等作用，可在微生物发酵反应过程中自动除去二氧化硫和水蒸气，最大限度地提高了甲烷的纯度，使热值增高，（约8000大卡/m3，纯甲烷8600-9500大卡/m3）。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的和思路： 随着全球经济的迅速发展，能源消耗以每年20%以上的速度递增，由于地下的石油、煤炭资源储量有限，能源紧张在日益加剧。因此，开发利用新能源，绿色能源的开发利用越来越得到人们的重视和政府高度关注,成为当今世界开发的再生能源之一。 创新点： 生物再生能源系统是利用农业生态资源的多种废物按一定含量科学配制生态能源混合料，在分体式生物反应器内，通过智能系统控制微生物群在厌氧状态和一定环境下的快速发酵作用，产生一种生物气体能源。该混合气体主要成分是甲烷、其余为二氧化碳、氧气、氮气和硫化氢，其中甲烷含量达65%--82%。该气体混合燃烧时，热值达48.7MJ/m3，呈蓝色火焰，温度高达1400℃，将气体能源输送到研究设计的功率为1000W的发电机，每0.5立方米的生物能源可发电4.5千瓦时，每次相当于3.8公升汽油的能量，是一种再生的生物能源。
科学性、先进性
- 科学性 利用农业生态资源的多种废物添加一定的微生物活化剂和营养素，配制适于提高生态能源的混合料，改变了使用单一原料产量少，产气速度慢的传统模式。研究设计一种双层分室结构的生态能源发生器，一是解决使用单体发酵装置保温效果差，能源产生难控制的弊端，二是全球人们对能源发生器进行投料和排料。利用压力、间谍等传感器对提高能源产量的运行系统进行智能控制，并将产生的气体能源进行中压储存和电能转化贮存，保障生态能源动力系统风驰霆击的持久性。 先进性 1、生态能源动力系统的能源产量高，比传统模式提高能源产量12.3%能源燃烧值提高18.7MJ/m3 2、生态能源动力系统的能源利用率高，燃烧无污染，节能环保，对生态能源动力车的尾气检测，达到欧4排放标准。 3、生态能源动力系统设计合理，工艺先进，创新性新性强。经过潍坊市科技情报所的信息检索和专业技术咨询，被专家誉为“世界上第一辆真正利用生物代谢为能源的动力车”。
获奖情况及鉴定结果
- 该项目已申请潍坊市专家鉴定，计划于2011年6月中旬进行专家鉴定。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 试验效果符合节能、环保标准，联系当地政府推广应用。
作品可展示的形式
- 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 生物再生能源系统是利用农业生态资源的多种废物按一定含量科学配制生态能源混合料，在分体式生物反应器内，通过智能系统控制微生物群在厌氧状态和一定环境下的快速发酵作用，产生一种生物气体能源。该混合气体主要成分是甲烷、其余为二氧化碳、氧气、氮气和硫化氢，其中甲烷含量达65%--82%。该气体混合燃烧时，热值达48.7MJ/m3，呈蓝色火焰，温度高达1400℃，将气体能源输送到研究设计的功率为1000W的发电机，每0.5立方米的生物能源可发电4.5千瓦时，每次相当于3.8公升汽油的能量，是一种再生的生物能源，具有很高的推广应用价值。
同类课题研究水平概述
- 经潍坊市科技情报研究所的信息检索和技术查新，利用生态再生能源进行动力系统研究的试验，在国、内外尚无相同的专利及相关文献。 它的主要创新点： 1、利用生态垃圾等多种废物为原料，添加微量的微生物活化剂和营养素，科学配制成适于微生物发酵的生物能源混合料，改变单一原料产气速度慢、能源产量少的传统模式。 2、研究设计的双层分体结构，选用PVC材料制作的生态能源反应器，一是解决传统发酵装置保温效果差，能源反应难控制的弊端，二是方便了能源发生器投料和排料。 3、利用压力、温度等传感器智能控制能源产量的运行系统，将产生的气体能源进行合理的中压储存和电能转化贮存，保障生物能源利用系统的运行持久性。 附：山东省科技信息检索中心的查新报告
